Dalam kehidupan seharian, kita semua sekarang dan kemudian menghadapi fenomena yang mengiringi proses peralihan bahan dari satu keadaan terkumpul ke keadaan yang lain. Dan selalunya kita perlu memerhatikan fenomena sedemikian pada contoh salah satu sebatian kimia yang paling biasa - air yang terkenal dan biasa. Daripada artikel itu, anda akan mempelajari bagaimana perubahan air cecair kepada ais pepejal berlaku - satu proses yang dipanggil penghabluran air - dan ciri apa yang mencirikan peralihan ini.
Apakah itu peralihan fasa?
Semua orang tahu bahawa dalam alam semula jadi terdapat tiga keadaan agregat utama (fasa) jirim: pepejal, cecair dan gas. Selalunya keadaan keempat ditambah kepada mereka - plasma (disebabkan oleh ciri-ciri yang membezakannya daripada gas). Walau bagaimanapun, apabila berpindah dari gas ke plasma, tidak ada sempadan tajam ciri, dan sifatnya tidak ditentukan begitu banyak.hubungan antara zarah jirim (molekul dan atom), berapa banyak keadaan atom itu sendiri.
Semua bahan, berpindah dari satu keadaan ke keadaan lain, dalam keadaan biasa secara tiba-tiba mengubah sifatnya (kecuali beberapa keadaan superkritikal, tetapi kami tidak akan menyentuhnya di sini). Transformasi sedemikian adalah peralihan fasa, atau lebih tepatnya, salah satu jenisnya. Ia berlaku pada gabungan tertentu parameter fizikal (suhu dan tekanan), dipanggil titik peralihan fasa.
Penukaran cecair kepada gas ialah penyejatan, fenomena sebaliknya ialah pemeluwapan. Peralihan bahan daripada pepejal kepada keadaan cair adalah lebur, tetapi jika proses itu pergi ke arah yang bertentangan, maka ia dipanggil penghabluran. Jasad pepejal boleh serta-merta bertukar menjadi gas dan sebaliknya - dalam kes ini, ia bercakap tentang pemejalwapan dan nyahsublimasi.
Semasa penghabluran, air bertukar menjadi ais dan dengan jelas menunjukkan betapa sifat fizikalnya berubah. Mari kita fikirkan beberapa butiran penting tentang fenomena ini.
Konsep penghabluran
Apabila cecair menjadi pejal semasa penyejukan, sifat interaksi dan susunan zarah bahan berubah. Tenaga kinetik pergerakan terma rawak zarah konstituennya berkurangan, dan mereka mula membentuk ikatan yang stabil antara satu sama lain. Apabila molekul (atau atom) berbaris secara teratur dan teratur melalui ikatan ini, struktur kristal pepejal terbentuk.
Penghabluran tidak serentak meliputi keseluruhan isipadu cecair yang disejukkan, tetapi bermula dengan pembentukan hablur kecil. Ini adalah apa yang dipanggil pusat penghabluran. Ia tumbuh dalam lapisan, secara berperingkat, dengan menambahkan lebih banyak molekul atau atom jirim di sepanjang lapisan yang semakin meningkat.
Keadaan penghabluran
Penghabluran memerlukan penyejukan cecair pada suhu tertentu (ia juga merupakan takat lebur). Oleh itu, suhu penghabluran air dalam keadaan biasa ialah 0 °C.
Untuk setiap bahan, penghabluran dicirikan oleh jumlah haba pendam. Ini ialah jumlah tenaga yang dikeluarkan semasa proses ini (dan dalam kes yang bertentangan, masing-masing, tenaga yang diserap). Haba tentu penghabluran air ialah haba pendam yang dikeluarkan oleh satu kilogram air pada 0 °C. Daripada semua bahan berhampiran air, ia adalah salah satu yang tertinggi dan kira-kira 330 kJ / kg. Nilai yang begitu besar adalah disebabkan oleh ciri-ciri struktur yang menentukan parameter penghabluran air. Kami akan menggunakan formula untuk mengira haba pendam di bawah, selepas mempertimbangkan ciri ini.
Untuk mengimbangi haba pendam, cecair perlu disejukkan untuk memulakan pertumbuhan kristal. Tahap penyejukan super mempunyai kesan yang ketara ke atas bilangan pusat penghabluran dan pada kadar pertumbuhannya. Semasa proses berjalan, penyejukan selanjutnya suhu bahan tidak berubah.
Molekul air
Untuk lebih memahami bagaimana air menghablur, anda perlu mengetahui bagaimana molekul sebatian kimia ini disusun, keranastruktur molekul menentukan ciri-ciri ikatan yang terbentuk.
Satu atom oksigen dan dua atom hidrogen digabungkan dalam molekul air. Mereka membentuk segi tiga sama kaki tumpul di mana atom oksigen terletak pada puncak sudut tumpul 104.45°. Dalam kes ini, oksigen dengan kuat menarik awan elektron ke arahnya, supaya molekul itu adalah dipol elektrik. Caj di dalamnya diagihkan ke atas bucu piramid tetrahedral khayalan - tetrahedron dengan sudut dalaman kira-kira 109 °. Akibatnya, molekul boleh membentuk empat ikatan hidrogen (proton), yang tentunya mempengaruhi sifat air.
Ciri-ciri struktur air cecair dan ais
Keupayaan molekul air untuk membentuk ikatan proton ditunjukkan dalam kedua-dua keadaan cecair dan pepejal. Apabila air adalah cecair, ikatan ini agak tidak stabil, mudah dimusnahkan, tetapi juga sentiasa terbentuk semula. Oleh kerana kehadirannya, molekul air lebih kuat terikat antara satu sama lain daripada zarah cecair lain. Mengaitkan, mereka membentuk struktur khas - kelompok. Atas sebab ini, titik fasa air dialihkan ke arah suhu yang lebih tinggi, kerana pemusnahan sekutu tambahan tersebut juga memerlukan tenaga. Selain itu, tenaganya agak ketara: jika tiada ikatan dan gugusan hidrogen, suhu penghabluran air (serta pencairannya) ialah –100 °C, dan mendidih +80 °C.
Struktur kelompok adalah sama dengan struktur ais kristal. Menghubungkan setiap satu dengan empat jiran, molekul air membina struktur kristal terbuka dengan tapak dalam bentuk heksagon. Tidak seperti air cecair, di mana mikrokristal - gugusan - tidak stabil dan mudah alih disebabkan oleh pergerakan terma molekul, apabila ais terbentuk, ia menyusun semula dirinya dengan cara yang stabil dan teratur. Ikatan hidrogen menetapkan susunan bersama tapak kekisi kristal, dan akibatnya, jarak antara molekul menjadi agak lebih besar daripada fasa cecair. Keadaan ini menerangkan lonjakan ketumpatan air semasa penghabluran - ketumpatan menurun daripada hampir 1 g/cm3 kepada kira-kira 0.92 g/cm3.
Mengenai haba pendam
Ciri-ciri struktur molekul air sangat serius dicerminkan dalam sifatnya. Ini boleh dilihat, khususnya, daripada haba tentu yang tinggi bagi penghabluran air. Ia disebabkan oleh kehadiran ikatan proton, yang membezakan air daripada sebatian lain yang membentuk kristal molekul. Telah ditetapkan bahawa tenaga ikatan hidrogen dalam air adalah kira-kira 20 kJ setiap mol, iaitu, untuk 18 g. Sebahagian besar ikatan ini terbentuk "beramai-ramai" apabila air membeku - di sinilah pulangan tenaga yang begitu besar. berasal dari.
Mari berikan pengiraan mudah. Biarkan 1650 kJ tenaga dibebaskan semasa penghabluran air. Ini adalah banyak: tenaga yang setara boleh diperolehi, sebagai contoh, daripada letupan enam bom tangan limau F-1. Mari kita mengira jisim air yang telah mengalami penghabluran. Formula mengaitkan jumlah haba pendam Q, jisim m dan haba tentu penghabluranλ sangat mudah: Q=– λm. Tanda tolak hanya bermaksud bahawa haba dikeluarkan oleh sistem fizikal. Menggantikan nilai yang diketahui, kita dapat: m=1650/330=5 (kg). Hanya 5 liter diperlukan untuk sebanyak 1650 kJ tenaga dibebaskan semasa penghabluran air! Sudah tentu, tenaga tidak diberikan serta-merta - proses berlangsung untuk masa yang cukup lama, dan haba hilang.
Banyak burung, contohnya, mengetahui sifat air ini, dan menggunakannya untuk berjemur berhampiran air beku tasik dan sungai, di tempat sedemikian suhu udaranya beberapa darjah lebih tinggi.
Penghabluran penyelesaian
Air ialah pelarut yang hebat. Bahan yang terlarut di dalamnya mengalihkan titik penghabluran, sebagai peraturan, ke bawah. Semakin tinggi kepekatan larutan, semakin rendah suhu akan membeku. Contoh yang menarik ialah air laut, di mana banyak garam yang berbeza dibubarkan. Kepekatan mereka dalam air laut ialah 35 ppm, dan air tersebut mengkristal pada -1.9 °C. Kemasinan air di laut yang berbeza sangat berbeza, jadi takat beku adalah berbeza. Oleh itu, air B altik mempunyai kemasinan tidak lebih daripada 8 ppm, dan suhu penghablurannya hampir kepada 0 °C. Air bawah tanah bermineral juga membeku pada suhu di bawah sifar. Perlu diingat bahawa kita sentiasa bercakap tentang penghabluran air sahaja: ais laut hampir sentiasa segar, dalam kes yang melampau, sedikit masin.
Larutan akueus pelbagai alkohol juga berbeza dalam terkurangtakat beku, dan penghabluran mereka tidak berlaku secara tiba-tiba, tetapi dengan julat suhu tertentu. Contohnya, 40% alkohol mula membeku pada -22.5°C dan akhirnya menghablur pada -29.5°C.
Tetapi larutan alkali seperti soda kaustik NaOH atau kaustik merupakan pengecualian yang menarik: ia dicirikan oleh peningkatan suhu penghabluran.
Bagaimanakah air tulen membeku?
Dalam air suling, struktur gugusan rosak akibat penyejatan semasa penyulingan, dan bilangan ikatan hidrogen antara molekul air tersebut adalah sangat kecil. Di samping itu, air tersebut tidak mengandungi kekotoran seperti zarah habuk mikroskopik terampai, buih, dsb., yang merupakan pusat tambahan pembentukan kristal. Atas sebab ini, takat penghabluran air suling diturunkan kepada -42 °C.
Adalah mungkin untuk menyejukkan air suling sehingga -70 °C. Dalam keadaan ini, air sejuk super dapat menghablur hampir serta-merta pada keseluruhan isipadu dengan sedikit goncangan atau kemasukan bendasing yang tidak ketara.
Air panas paradoks
Fakta yang menakjubkan - air panas bertukar menjadi kristal lebih cepat daripada air sejuk - dipanggil "kesan Mpemba" sebagai penghormatan kepada budak sekolah Tanzania yang menemui paradoks ini. Lebih tepat lagi, mereka tahu mengenainya pada zaman dahulu, namun, tidak menemui penjelasan, ahli falsafah semula jadi dan saintis semula jadi akhirnya berhenti memberi perhatian kepada fenomena misteri itu.
Pada tahun 1963, Erasto Mpemba terkejut ituCampuran ais krim hangat lebih cepat daripada campuran ais krim sejuk. Dan pada tahun 1969, fenomena yang menarik telah disahkan dalam eksperimen fizikal (dengan cara itu, dengan penyertaan Mpemba sendiri). Kesannya dijelaskan oleh pelbagai sebab:
- lebih banyak pusat penghabluran seperti gelembung udara;
- pelesapan haba tinggi air panas;
- kadar sejatan yang tinggi, mengakibatkan pengurangan isipadu cecair.
Tekanan sebagai faktor penghabluran
Hubungan antara tekanan dan suhu sebagai kuantiti utama yang mempengaruhi proses penghabluran air jelas ditunjukkan dalam rajah fasa. Ia boleh dilihat daripadanya bahawa dengan peningkatan tekanan, suhu peralihan fasa air daripada cecair kepada keadaan pepejal berkurangan dengan sangat perlahan. Sememangnya, sebaliknya juga benar: semakin rendah tekanan, semakin tinggi suhu yang diperlukan untuk pembentukan ais, dan ia tumbuh dengan perlahan. Untuk mencapai keadaan di mana air (bukan suling!) dapat menghablur menjadi ais biasa Ih pada suhu serendah mungkin iaitu -22 ° C, tekanan mesti ditingkatkan kepada 2085 atmosfera.
Suhu penghabluran maksimum sepadan dengan gabungan keadaan berikut, dipanggil titik tiga air: 0.006 atmosfera dan 0.01 °C. Dengan parameter sedemikian, titik penghabluran-pencairan dan pemeluwapan-didih bertepatan, dan ketiga-tiga keadaan pengagregatan air wujud bersama dalam keseimbangan (tanpa ketiadaan bahan lain).
Banyak jenis ais
Pada masa ini diketahui kira-kira 20 pengubahsuaiankeadaan pepejal air - daripada amorf kepada ais XVII. Kesemuanya, kecuali ais Ih biasa, memerlukan keadaan penghabluran yang eksotik untuk Bumi, dan tidak semuanya stabil. Hanya Ic ais yang sangat jarang ditemui di lapisan atas atmosfera bumi, tetapi pembentukannya tidak dikaitkan dengan pembekuan air, kerana ia terbentuk daripada wap air pada suhu yang sangat rendah. Ais XI ditemui di Antartika, tetapi pengubahsuaian ini adalah terbitan daripada ais biasa.
Dengan penghabluran air pada tekanan yang sangat tinggi, adalah mungkin untuk mendapatkan pengubahsuaian ais seperti III, V, VI, dan dengan peningkatan serentak dalam suhu - ais VII. Ada kemungkinan bahawa sebahagian daripada mereka boleh dibentuk di bawah keadaan yang luar biasa untuk planet kita pada badan lain sistem suria: di Uranus, Neptun atau satelit besar planet gergasi. Seseorang mesti berfikir bahawa eksperimen masa depan dan kajian teori tentang sifat-sifat ais ini yang masih sedikit dikaji, serta ciri-ciri proses penghablurannya, akan menjelaskan isu ini dan membuka lebih banyak perkara baharu.
